汕頭大學傳感器復習資料

1、傳感器期末復習資料1.1 什么是傳感器？按照國標定義，“傳感器”應(yīng)該如何說明含義？1.2 傳感器由哪幾部分組成？試述它們的作用及相互關(guān)系。1.1答：從廣義的角度來說，感知信號檢出器件和信號處理部分總稱為傳感器。我們對傳感器定義是：一種能把特定的信息（物理、化學、生物）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件和裝置。從狹義角度對傳感器定義是：能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出的器件。我國國家標準（GB766587）對傳感器（Sensor/transducer）的定義是：“能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件和裝置”。定義表明傳感器有這樣三層含義：它是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成的一

2、種檢測裝置；能按一定規(guī)律將被測量轉(zhuǎn)換成電信號輸出；傳感器的輸出與輸入之間存在確定的關(guān)系。按使用的場合不同傳感器又稱為變換器、換能器、探測器。1.2答：組成由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本電路組成；關(guān)系，作用傳感器處于研究對象與測試系統(tǒng)的接口位置，即檢測與控制之首。傳感器是感知、獲取與檢測信息的窗口，一切科學研究與自動化生產(chǎn)過程要獲取的信息都要通過傳感器獲取并通過它轉(zhuǎn)換成容易傳輸與處理的電信號，其作用與地位特別重要。2.1傳感器的靜態(tài)特性是什么？由哪些性能指標描述？它們一般可用哪些公式表示？2.2傳感器的線性度是如何確定的？確定擬合直線有哪些方法？傳感器的線性度表征了什么含義？為什么不能籠統(tǒng)的說傳感器

3、的線性度是多少。2.3傳感器動態(tài)特性的主要技術(shù)指標有哪些？它們的意義是什么？2.1答：靜特性是當輸入量為常數(shù)或變化極慢時，傳感器的輸入輸出特性，其主要指標有線性度、遲滯、重復性、分辨力、穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、各種抗干擾穩(wěn)定性。傳感器的靜特性由靜特性曲線反映出來，靜特性曲線由實際測繪中獲得。人們根據(jù)傳感器的靜特性來選擇合適的傳感器。2.2答：1）實際傳感器有非線性存在，線性度是將近似后的擬合直線與實際曲線進行比較，其中存在偏差，這個最大偏差稱為傳感器的非線性誤差，即線性度，2）選取擬合的方法很多，主要有：理論線性度(理論擬合)；端基線性度(端點連線擬合)；獨立線性度(端點平移擬合)；最小二乘法線性

4、度。3）線性度是表征實際特性與擬合直線不吻合的參數(shù)。4）傳感器的非線性誤差是以一條理想直線作基準，即使是同一傳感器基準不同時得出的線性度也不同，所以不能籠統(tǒng)地提出線性度, 當提出線性度的非線性誤差時，必須說明所依據(jù)的基準直線。2.3答：1）傳感器動態(tài)特性主要有：時間常數(shù)；固有頻率；阻尼系數(shù)。2）含義：越小系統(tǒng)需要達到穩(wěn)定的時間越少；固有頻率越高響應(yīng)曲線上升越快；當為常數(shù)時響應(yīng)特性取決于阻尼比，阻尼系數(shù)越大，過沖現(xiàn)象減弱，時無過沖，不存在振蕩，阻尼比直接影響過沖量和振蕩次數(shù)。3.1 何為電阻應(yīng)變效應(yīng)？怎樣利用這種效應(yīng)制成應(yīng)變片？3.2 什么是應(yīng)變片的靈敏系數(shù)？它與金屬電阻絲的靈敏系數(shù)有何不同？為

5、什么？3.4 金屬應(yīng)變片與半導體應(yīng)變片在工作原理上有何不同？半導體應(yīng)變片靈敏系數(shù)范圍是多少，金屬應(yīng)變片靈敏系數(shù)范圍是多少？為什么有這種差別，說明其優(yōu)缺點。舉例說明金屬絲電阻應(yīng)變片與半導體應(yīng)變片的相同點和不同點。圖3-293.7 一測量吊車起吊重物的拉力傳感器如圖3-29a所示。R1、R2、R3、R4按要求貼在等截面軸上。已知:等截面軸的截面積為0.00196m2，彈性模量E=21011N/m2，泊松比，且R1=R2=R3=R4=120, 所組成的全橋型電路如題圖3-29b所示，供橋電壓U=2V。現(xiàn)測得輸出電壓U0=2.6mV。求：等截面軸的縱向應(yīng)變及橫向應(yīng)變?yōu)槎嗌?？力F為多少？3.8 已知：有

6、四個性能完全相同的金屬絲應(yīng)變片（應(yīng)變靈敏系數(shù)）, 將其粘貼在梁式測力彈性元件上，如圖3-30所示。在距梁端處應(yīng)變計算公式為 設(shè)力，。求：圖 3-30說明是一種什么形式的梁。在梁式測力彈性元件距梁端處畫出四個應(yīng)變片粘貼位置，并畫出相應(yīng)的測量橋路原理圖；求出各應(yīng)變片電阻相對變化量；當橋路電源電壓為6V時，負載電阻為無窮大，求橋路輸出電壓U0是多少？3.9 圖3-31為一直流電橋，負載電阻RL趨于無窮。圖中E=4V，R1=R2=R3=R4=120，試求： R1為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻，當R1的增量為R1=1.2時，電橋輸出電壓U0=? R1、R2為金屬應(yīng)變片，感應(yīng)應(yīng)變大小變化相同，其余為外接電阻

7、，電橋輸出電壓U0=? R1、R2為金屬應(yīng)變片，如果感應(yīng)應(yīng)變大小相反，且R1=R2 =1.2，電橋輸出電壓U0=?3.1 答：導體在受到拉力或壓力的外界力作用時，會產(chǎn)生機械變形，同時機械變形會引起導體阻值的變化，這種導體材料因變形而使其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。當外力作用時，導體的電阻率、長度、截面積都會發(fā)生變化，從而引起電阻值的變化，通過測量電阻值的變化，檢測出外界作用力的大小。3.2答：金屬絲靈敏系數(shù)主要由材料的幾何尺寸決定的。受力后材料的幾何尺寸變化為，電阻率的變化為。而實際應(yīng)變片的靈敏系數(shù)應(yīng)包括基片、粘合劑以及敏感柵的橫向效應(yīng)。雖然長度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，金屬絲做成成品的

8、應(yīng)變片（粘貼到試件上）以后，靈敏系數(shù)降低了。3.4答：金屬導體應(yīng)變片的電阻變化是利用機械形變產(chǎn)生的應(yīng)變效應(yīng)，對于半導體而言，應(yīng)變傳感器主要是利用半導體材料的壓阻效應(yīng)。金屬電阻絲的靈敏系數(shù)可近似寫為 ，即；半導體靈敏系數(shù)近似為 50100。3.7解：3.8解：梁為一種等截面懸臂梁；應(yīng)變片沿梁的方向上下平行各粘貼兩個；3.9解:4.1 如何改善單極式變極距型電容傳感器的非線性？4.2 為什么高頻工作時的電容式傳感器連接電纜的長度不能任意變化？a) b)圖4-304.3 差動式變極距型電容傳感器，若初始容量，初始距離，當動極板相對于定極板位移了時，試計算其非線性誤差。若改為單極平板電容，初始值不變，

9、其非線性誤差有多大？4.7 壓差傳感器結(jié)構(gòu)如圖4-30a所示，傳感器接入二極管雙T型電路，電路原理示意圖如圖4-30b所示。已知電源電壓UE =10V，頻率f = 1MHz，R1=R2=40k，壓差電容C1=C2=10pF，RL=20k。試分析，當壓力傳感器有壓差PHPL使電容變化C=1pF時，一個周期內(nèi)負載電阻上產(chǎn)生的輸出電壓URL平均值的大小與方向。 4.1答：非線性隨相對位移的增加而增加，為保證線性度應(yīng)限制相對位移的大?。黄鹗紭O距與靈敏度、線性度相矛盾，所以變極距式電容傳感器只適合小位移測量；為提高傳感器的靈敏度和改善非線性關(guān)系，變極距式電容傳感器一般采用差動結(jié)構(gòu)。4.2答：低頻時容抗較

10、大，傳輸線的等效電感和電阻可忽略。而高頻時容抗減小，等效電感和電阻不可忽略，這時接在傳感器輸出端相當于一個串聯(lián)諧振，有一個諧振頻率存在，當工作頻率諧振頻率時，串聯(lián)諧振阻抗最小，電流最大，諧振對傳感器的輸出起破壞作用，使電路不能正常工作。通常工作頻率10MHz以上就要考慮電纜線等效電感的影響。4.3解：若初始容量，初始距離，當動極板相對于定極板位移了時，非線性誤差為：改為單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差為：4.7解：當時，；由于，電壓UE的負半周占優(yōu)勢，故的方向下正上負。5.1 何謂電感式傳感器？電感式傳感器分為哪幾類？各有何特點？5.2 提高電感式傳感器線性度有哪些有效的方法。5.4 說

11、明產(chǎn)生差動電感式傳感器零位殘余電壓的原因及減小此電壓的有效措施。5.7 概述變間隙式差動變壓器的結(jié)構(gòu)、工作原理和輸出特性，5.10 什么叫電渦流效應(yīng)？說明電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。電渦流式傳感器的基本特性有哪些？它是基于何種模型得到的？5.11 電渦流式傳感器可以進行哪些物理量的檢測？能否可以測量非金屬物體，為什么？5.1答：電感式傳感器是一種機-電轉(zhuǎn)換裝置，電感式傳感器是利用線圈自感和互感的變化實現(xiàn)非電量電測的一種裝置，傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測非電量轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。它可以用來測量位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、密度等參數(shù)。電感式傳感器種類：自感式、渦流式、差動式、變壓式、

12、壓磁式、感應(yīng)同步器。工作原理：自感、互感、渦流、壓磁。5.2答：電感傳感器采用差動形式，轉(zhuǎn)換電路采用相敏檢波電路可有效改善線性度。5.4答：差動變壓器式傳感器的鐵芯處于中間位置時，在零點附近總有一個最小的輸出電壓，將鐵芯處于中間位置時，最小不為零的電壓稱為零點殘余電壓。產(chǎn)生零點殘余電壓的主要原因是由于兩個次級線圈繞組電氣系數(shù)（互感 M 、電感L、內(nèi)阻R）不完全相同，幾何尺寸也不完全相同，工藝上很難保證完全一致。為減小零點殘余電壓的影響，除工業(yè)上采取措施外，一般要用電路進行補償：串聯(lián)電阻；并聯(lián)電阻、電容，消除基波分量的相位差異，減小諧波分量；加反饋支路，初、次級間加入反饋，減小諧波分量；相敏檢波

13、電路對零點殘余誤差有很好的抑制作用。5.10答：1）塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作用切割磁力線運動時，導體內(nèi)部會產(chǎn)生一圈圈閉和的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電渦流效應(yīng)。2）形成渦流必須具備兩個條件：第一存在交變磁場；第二導電體處于交變磁場中。電渦流式傳感器通電后線圈周圍產(chǎn)生交變磁場，金屬導體置于線圈附近。當金屬導體靠近交變磁場中時，導體內(nèi)部就會產(chǎn)生渦流，這個渦流同樣產(chǎn)生交變磁場。由于磁場的反作用使線圈的等效電感和等效阻抗發(fā)生變化，使流過線圈的電流大小、相位都發(fā)生變化。通過檢測與阻抗有關(guān)的參數(shù)進行非電量檢測。3）因為金屬存在趨膚效應(yīng)，電渦流只存在于金屬導體的表面薄層內(nèi)，實際上渦

14、流的分布是不均勻的。渦流區(qū)內(nèi)各處的渦流密度不同，存在徑向分布和軸向分布。所以電渦流傳感器的檢測范圍與傳感器的尺寸（線圈直徑）有關(guān)。4）回路方程的建立是把金屬上渦流所在范圍近似看成一個單匝短路線圈作為等效模型。5.11答：1）凡是能引起變化的物理量，均可以引起傳感器線圈 的變化，可以進行非電量檢測；如被測體（金屬）的電阻率，導磁率，厚度，線圈與被測體之間的距離，激勵線圈的角頻率等都可通過渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)與線圈阻抗發(fā)生關(guān)系，使變化；若控制某些參數(shù)不變，只改變其中一個參數(shù)，便可使阻抗成為這個參數(shù)的單值函數(shù)。2）電渦流傳感器不可以直接測量非金屬物體，這是由于傳感器本身特性決定的。6.4 什么是霍爾效應(yīng)

15、？ 6.5 霍爾元件常用材料有哪些？為什么不用金屬做霍爾元件材料？6.6 霍爾元件不等位電勢產(chǎn)生的原因有哪些？6.7 某一霍爾元件尺寸為，,，沿方向通以電流，在垂直于和的方向加有均勻磁場，靈敏度為，試求輸出霍爾電勢及載流子濃度。6.12 比較霍爾元件、磁敏電阻、磁敏晶體管，它們有哪些相同之處和不同之處？簡述其各自的特點。6.4答：通電的導體（半導體）放在磁場中，電流與磁場垂直，在導體另外兩側(cè)會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。6.5答：1）任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢，但不是都可以制造霍爾元件。只有半導體材料適于制作霍爾元件。又因一般電子遷移率大于空穴的遷移率，所以霍爾元件多采用N型

16、半導體制造。2）金屬材料電子濃度雖然很高，但電阻率很小很小，使霍爾電勢很小，因此不適于做霍爾元件材料。6.6答：霍爾電勢不為零的原因是，霍爾引出電極安裝不對稱，不在同一等電位面上；激勵電極接觸不良，半導體材料不均勻造成電阻率不均勻等原因。6.7解：6.12答：霍爾元件具有體積小、外圍電路簡單、動態(tài)特性好、靈敏度高、頻帶寬等許多優(yōu)點，在霍爾元件確定后，可以通過測量電壓、電流、磁場來檢測非電量，如力、壓力、應(yīng)變、振動、加速度等等，所以霍爾元件應(yīng)用有三種方式：激勵電流不變，霍爾電勢正比于磁場強度，可進行位移、加速度、轉(zhuǎn)速測量。激勵電流與磁場強度都為變量，傳感器輸出與兩者乘積成正比，可測量乘法運算的物

17、理量，如功率。磁場強度不變時，傳感器輸出正比于激勵電流，可檢測與電流有關(guān)的物理量，并可直接測量電流。磁敏電阻與霍爾元件屬同一類，都是磁電轉(zhuǎn)換元件，兩者本質(zhì)不同是磁敏電阻沒有判斷極性的能力，只有與輔助材料(磁鋼)并用才具有識別磁極的能力。磁敏二極管可用來檢測交直流磁場，特別是弱磁場。可用作無觸點開關(guān)、作箱位電流計、對高壓線不斷線測電流、小量程高斯計、漏磁儀、磁力探傷儀等設(shè)備裝置。磁敏三極管具有較好的磁靈敏度，主要應(yīng)用于磁場測量，特別適于10-6T以下的弱磁場測量，不僅可測量磁場的大小，還可測出磁場方向；電流測量。特別是大電流不斷線地檢測和保護；制作無觸點開關(guān)和電位器，如計算機無觸點電鍵、機床接近

18、開關(guān)等；漏磁探傷及位移、轉(zhuǎn)速、流量、壓力、速度等各種工業(yè)控制中參數(shù)測量。7.1 什么是壓電效應(yīng)？什么是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？7.2 石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應(yīng)有何不同之處？為什么說PZT壓電陶瓷是優(yōu)能的壓電元件？7.3 壓電傳感器能否用于靜態(tài)測量？試結(jié)合壓電陶瓷加以說明。7.4 壓電元件在使用時常采用多片串聯(lián)或并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式。試述在不同接法下輸出電壓、電荷、電容的關(guān)系，它們分別適用于何種應(yīng)用場合？7.5 電壓放大器和電荷放大器本質(zhì)上有何不同，電荷放大器和電壓放大器各有何特點？它們各自適用于什么情況？ 7.6 己知電壓前置放大器輸人電阻及總電容分別為，求與壓電加速度計相配，測振動時幅值誤差是

19、多少？7.7 已知電壓式加速度傳感器阻尼比。若其無阻尼固有頻率, 要求傳感器輸出幅值誤差在以內(nèi)，試確定傳感器的最高響應(yīng)頻率。7.8 一壓電加速度計，供它專用電纜的長度為，電纜電容為，壓電片本身電容為。出廠標定電壓靈敏度為，若使用中改用另一根長電纜，其電容量為，問其電壓靈敏度如何改變？7.1答：某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力的作用變形時，由于內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時在兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力去掉后，恢復到不帶電的狀態(tài)；而當作用力方向改變時，電荷的極性隨著改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機械變形，外電場撤離，變形

20、也隨之消失，稱為逆壓電效應(yīng)7.2答：1）石英晶體整個晶體是中性的，受外力作用而變形時沒有體積變形壓電效應(yīng)，但它具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。壓電陶瓷PZT是一種多晶鐵電體，原始的壓電陶瓷材料并不具有壓電性，必須在一定溫度下做極化處理后，留下了很強的剩余極化強度，才能使其呈現(xiàn)出壓電特性。2）比較石英晶體、，壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)大的多，是它們的上百倍。所以壓電陶瓷制作的傳感器靈敏度高。常用的優(yōu)能壓電陶瓷是鋯鈦酸鉛（PZT），它具有很高的介電常數(shù)，工作溫度可達250。7.3答：1）由壓電傳感器的等效電路可見，要保證輸出信號與輸入作用力間的線性關(guān)系，只有在負載電阻較大，工作頻率較高時，傳感器

21、電荷才能得以保存補充，需要測量電路具有無限大的輸入阻抗。但實際上這是不可能的，故壓電傳感器只能作動態(tài)測量，不宜作靜態(tài)信號測量，只能在其上加交變力，電荷才能不斷得到補充，并給測量電路一定的電流。7.4.答：1）在壓電式傳感器中，為了提高靈敏度，往往采用多片壓電芯片構(gòu)成一個壓電組件。其中最常用的是兩片結(jié)構(gòu)；根據(jù)兩片壓電芯片的連接關(guān)系，可分為串聯(lián)和并聯(lián)連接，常用的是并聯(lián)連接，可以增大輸出電荷，提高靈敏度。2）如果按相同極性粘貼，相當兩個壓電片（電容）串聯(lián)。輸出總電容為單片電容的一半，輸出電荷與單片電荷相等，輸出電壓是單片的兩倍；若按不同極性粘貼，相當兩個壓電片（電容）并聯(lián)，輸出電容為單電容的兩倍，極

22、板上電荷量是單片的兩倍，但輸出電壓與單片相等。7.6解：幅值誤差為：相對誤差為：7.7解：控制傳感器在5%以內(nèi)的幅值誤差為：式中f為最高響應(yīng)頻率：7.8解：可見電纜加長后電壓靈敏度下降。7.10解：當輸出幅值為2V時，機器振動加速度為：第8章 光電效應(yīng)及器件8.1什么是內(nèi)光電效應(yīng)？什么是外光電效應(yīng)？說明其工作原理并指出相應(yīng)的典型光電器件。8.3普通光電器件都有哪些主要特性和參數(shù)？8.4什么是光敏電阻的亮電阻和暗電阻？暗電阻電阻值通常在什么范圍？8.6光敏二極管由哪幾部分組成，它與普通二極管在使用時有什么不同？請說明原理。8.8何為光電池的開路電壓及短路電流？為什么作為檢測元件時要采用短路電流輸

23、出形式，作為電壓源使用時采用開路電壓輸出形式？8.9光電池的結(jié)構(gòu)特征是什么？它如何工作的？8.10采用波長為0.80.9的紅外光源時，宜采用哪種材料的光電器件做檢測元件？為什么？8.11反射式光電傳感器常見的有哪些類型？有什么特點？應(yīng)用時要注意哪些影響？圖8-538.15光電傳感器控制電路如圖8-53所示，試分析電路工作原理： GPIS01是什么器件，內(nèi)部由哪兩種器件組成？ 當用物體遮擋光路時，發(fā)光二極管LED有什么變化？ R1是什么電阻，在電路中起到什么作用？如果VD二極管的最大額定電流為60mA， R1應(yīng)該如何選擇？ 如果GPIS01中的VD二極管反向連接，電路狀態(tài)如何？晶體管VT 、LE

24、D如何變化？8.16光柵傳感器的基本原理是什么？莫爾條紋是如何形成的？有何特點？分析光柵傳感器具有較高測量精度的原因。8.17某光柵的柵線密度為100線/mm ，要使形成莫爾條紋寬度為10mm，求柵線夾角是多少?答案：8.1答：當用光照射物體時，物體受到一連串具有能量的光子的轟擊，于是物體材料中的電子吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)的電效應(yīng)（如電阻率變化、發(fā)射電子或產(chǎn)生電動勢等）。這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。1）當光線照在物體上,使物體的電導率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。入射光強改變物質(zhì)導電率的物理現(xiàn)象稱光電導效應(yīng)，典型的光電器件有光敏電阻；光照時

25、物體中能產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)，光電池、光敏晶體管。2）在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，典型的光電器件有光電管、光電倍增管。8.3答：光照特性；光譜特性；伏安特性；溫度特性；頻率特性等8.4答：暗電阻，無光照時的電阻為暗電阻，暗電阻電阻值范圍一般為0.5200M；亮電阻、受光照時的電阻稱亮電阻，亮電阻的阻值一般為0.520K。8.8答：1）光生電動勢與照度之間關(guān)系為開路電壓曲線，短路電流是指外接負載電阻相對于光電池內(nèi)阻很小時的光電流值。2）短路電流曲線在很大范圍內(nèi)與光照度成線性關(guān)系，因此光電池作為檢測元件使用時，一般不作電壓源使用，而作為電流

26、源的形式應(yīng)用。而開路電壓與光照度關(guān)系在照度為2000lx以上趨于飽和呈非線性關(guān)系，因此適于作電壓源使用。8.10答：1）采用波長為0.80.9的紅外光源時，宜采硅光電池或硅光敏管，其光譜響應(yīng)峰值在0.8附近，波長范圍在0.41.2。2）其中硅光電池適于接受紅外光，可以在較寬的波長范圍內(nèi)應(yīng)用。8.15電路分析：1）GPIS01是光電開關(guān)器件，內(nèi)部由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成；2）當用物體遮擋光路時，Vg無光電流VT截止，發(fā)光二極管LED不發(fā)光；3）R1是限流電阻，在電路中可起到保護發(fā)光二極管VD的作用；如果VD二極管的最大額定電流為60mA，選擇電阻大于R1 =（12V-0.7）/0.6 = 1

27、8.8。4）如果GPIS01中的VD二極管反向連接，Vg無光電流VT截止，發(fā)光二極管LED不發(fā)光；電路無狀態(tài)變化。8.17解：已知：光柵的柵線密度為100線/mm 即W=0.02mm，B=10mm(即00653)第9章 新型光電傳感器9.1 象限探測器與PSD光電位置傳感器有什么異同？各有哪些特點？9.3 CCD電荷耦合器主要由哪兩個部分組成？試描述CCD輸出信號的特點。9.5 用CCD做幾何尺寸測量時應(yīng)該如何由像元數(shù)確定測量精度。9.7說明光纖傳感器的結(jié)構(gòu)和特點，試述光纖的傳光原理。9.8 當光纖的折射率N1=1.46，N2=1.45時，如光纖外部介質(zhì)N0=1，求最大入射角c的值。9.9 什

28、么是光纖的數(shù)值孔徑？ 物理意義是什么？NA取值大小有什么作用？有一光纖，其纖芯折射率為1.56，包層折射率為1.24，求數(shù)值孔徑為多少？ 9.10光纖傳感器有哪兩大類型？它們之間有何區(qū)別？9.11 圖9-36為Y結(jié)構(gòu)型光纖位移測量原理圖，光源的光經(jīng)光纖的一個分支入射，經(jīng)物體反射后光纖的另一分支將信號輸出到光探測器上。光探測器的輸出信號與被測距離有什么樣關(guān)系，試說明其調(diào)制原理，畫出位移相對輸出光強的特性曲線。9.12光纖可以通過哪些光的調(diào)制技術(shù)進行非電量的檢測，說明原理。答案9.1答：1）象限探測器它是利用光刻技術(shù)，將一個整塊的圓形或方形光敏器件敏感面分隔成若干個面積相等、形狀相同、位置對稱的區(qū)

29、域，這就構(gòu)成了象限探測器。PSD光電位置傳感器是一種對入射到光敏面上的光點位置敏感的光電器件。兩種器件工作機理不同，但其輸出信號與光點在光敏面上的位置有關(guān)。光電位置傳感器被廣泛應(yīng)用于激光束對準、平面度檢測、二維坐標檢測以及位移和振動測量系統(tǒng)。2）象限探測器有幾個明顯缺點：它需要分割從而產(chǎn)生死區(qū)，尤其當光斑很小時，死區(qū)的影響更明顯。若被測光斑全部落入某個象限時，輸出的電信號無法表示光斑位置，因此它的測量范圍、控制范圍都不大，測量精度與光強變化及漂移密切相關(guān)，因此它的分辨率和精度受到限制。與象限探測器相比PSD傳感器有以下特點：（1）它對光斑的形狀無嚴格要求，即輸出信號與光的聚焦無關(guān)，只與光的能量

30、中心位置有關(guān)，這給測量帶來很多方便。（2）光敏面上無須分割，消除了死區(qū)，可連續(xù)測量光斑位置，位置分辨率高，一維PSD可達0.2m。（3）可同時檢測位置和光強，PSD器件輸出的總光電流與入射光強有關(guān)，而各信號電極輸出光電流之和等于總光電流，所以由總光電流可求得相應(yīng)的入射光強。9.3答：1）CCD基本結(jié)構(gòu)由MOS光敏元陣列和讀出移位寄存器兩部分組成。2）CCD電極傳輸電荷方向（向右或向左）是通過改變?nèi)鄷r鐘脈沖的時序來控制的，輸出的幅值與對應(yīng)的光敏元件上電荷量成正比。信號電荷的輸出的方式主要有電流輸出和電壓輸出兩種，電流輸出型是輸出電流與電荷成正比，在輸出電路負載上形成輸出電流。9.5答：兩個光敏

31、像元的空間尺寸必須小于被測量的最小尺寸?？蓽y量的范圍是像元總寬度：如，1024（相元數(shù)）0.014mm（光敏像元的空間尺寸）=14.3mm（測量范圍）。9.8解：9.9答：1）數(shù)值孔徑定義為：，表示了光纖的集光能力，無論光源的發(fā)射功率有多大，只有在2張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會進入包層漏光。2）NA越大集光能力越強，光纖與光源間耦合會更容易，但NA越大光信號畸變越大，所以要選擇適當。3）9.10答：光纖傳感器大致可分為功能型和非功能型兩大類，它們的基本組成相似，有光源、入射光纖、調(diào)制器、出射光纖、光敏器件。功能型又稱傳感型，這類傳感器利用光纖本身對外界被測

32、對象具有敏感能力和檢測功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被測對象作用下使光強、相位、偏振態(tài)等光學特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號攜帶了被測信息。如果外界作用時光纖傳播的光信號發(fā)生變化，使光的路程改變，相位改變，將這種信號接收處理后，可以得到與被測信號相關(guān)的變化電信號。非功能型又稱傳光型，這時光纖只作傳播光媒介，待測對象的調(diào)制功能是由其它轉(zhuǎn)換元件實現(xiàn)的，光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的，光纖只起傳光作用。9.12答：光強度調(diào)制：利用外界物理量改變光纖中的光強度，通過測量光強的變化測量被測信息。根據(jù)光纖傳感器探頭結(jié)構(gòu)形式可分為透射、反射、折射等方式調(diào)制。相位調(diào)制：一般壓力、張力、溫度可以改變光纖的幾何尺寸（長度），

33、同時由于光彈效應(yīng)光纖折射率也會由于應(yīng)變而改變，這些物理量可以使光纖輸出端產(chǎn)生相位變化，借助干涉儀可將相位變化轉(zhuǎn)換為光強的變化。干涉系統(tǒng)的種類很多，可根據(jù)具體情況采用不同的干涉系統(tǒng)。頻率調(diào)制：當光敏器件與光源之間有相對運動時，光敏器件接收到的光頻率fs與光源頻率f不同，這種現(xiàn)象稱為光的“多普勒效應(yīng)”。頻率調(diào)制方法可以測量運動物體（流體）的速度、流量等。第10章 半導體式化學傳感器10.4 半導體氣體傳感器為什么要在高溫狀態(tài)下工作？加熱方式有哪幾種？加熱絲可以起到什么作用？10.6 什么是絕對濕度？什么是相對濕度？表示空氣濕度的物理量有哪些？如何表示？10.7簡述氯化鋰濕度傳感器的感濕原理。答案：

34、10.4答：1）因為在常溫下，電導率變化不大，達不到檢測目的，因此以上結(jié)構(gòu)的氣敏元件都有電阻絲加熱器，加熱時間23分鐘，最佳工作溫度為200400。2）加熱方式分為直熱式和旁熱式。電阻型氣敏傳感器加熱的目的有兩個方面的因素，一是為了加速氣體吸附和上述的氧化還原反應(yīng)，提高靈敏度和響應(yīng)速度，另外使附著在傳感器元件殼面上的油霧、塵埃燒掉。10.6答：1）絕對濕度指單位體積空氣內(nèi)所含水汽的質(zhì)量，一般用每立方米空氣中所含水汽的克數(shù)表示2）相對濕度是指被測氣體中，實際所含水汽蒸汽壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比，一般用符號%RH(Relative Humidity)表示，無量綱。3）除用絕對濕度

35、、相對濕度表示空氣的水汽含量外，露點溫度是一個與濕度相關(guān)的重要物理量，簡稱露點。當空氣中溫度下降到某一溫度時，空氣中的水汽就有可能轉(zhuǎn)化為液相而凝結(jié)成露珠，這一特定溫度稱為空氣的露點或露點溫度。第11章 波與射線式傳感器11.1 什么是超聲波？其頻率范圍是多少？ 11.2 超聲波在通過兩種介質(zhì)界面時，將會發(fā)生什么現(xiàn)象？11.3 超聲波傳感器的發(fā)射與接收分別利用什么效應(yīng)，檢測原理是什么？11.6 紅外輻射探測器分為哪兩種類型?這兩種探測器有哪些不同？試比較它們的優(yōu)缺點。11.7 敘述熱釋電效應(yīng)，熱釋電元件如何將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵?？熱釋電探測器為什么只能探測調(diào)制輻射？答案11.1答：1）超聲波是

36、人耳無法聽到的聲波。人耳聽見的聲波稱機械波，頻率在16Hz20kHz，一般說話的頻率范圍在100Hz8kHz之間，低于20Hz頻率的波稱為次聲波，高于20kHz頻率的波稱超聲波，頻率在300MHz300GHz之間的波稱為微波。2）超聲波頻率范圍在幾十千赫茲到幾十兆赫茲，11.2答：當超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，在界面上會產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換。11.3答：1）超聲波傳感器主要利用壓電材料（晶體、陶瓷）的壓電效應(yīng)，其中超聲波發(fā)射器利用逆壓電效應(yīng)制成發(fā)射元件，將高頻電振動轉(zhuǎn)換為機械振動產(chǎn)生超聲波；超聲波接收器利用正壓電效應(yīng)制成接收元件，將超聲波機械振動轉(zhuǎn)換為電信號。11.6答：1）紅外探

37、測器主要有兩大類型：熱探測器（熱電型），包括熱釋電、熱敏電阻、熱電偶；光子探測器（量子型），利用某些半導體材料在紅外輻射的照射下產(chǎn)生光電子效應(yīng)，使材料的電學性質(zhì)發(fā)生變化，其中有光敏電阻、光敏晶體管、光電池等。2）紅外探測器是能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能的熱電或光電器件，當器件吸收輻射能時溫度上升，溫升引起材料各種有賴于溫度的參數(shù)變化，檢測其中一種性能的變化，既可探知輻射的存在和強弱。光量子型紅外探測器是能將紅外輻射的光能直接轉(zhuǎn)換為電能的光敏器件。3）光子探測器與熱釋電傳感器區(qū)別是，光量子型光電探測器探測的波長較窄，而熱探測器幾乎可以探測整個紅外波長范圍。11.7答：1）熱釋電效應(yīng)首先利用器件溫度敏

38、感特性將溫度變化轉(zhuǎn)換為電信號，這一過程包括了光熱電的兩次信息變換過程，而對波長頻率沒有選擇。光熱電轉(zhuǎn)換過程中，光熱階段，物質(zhì)吸收光能，溫度升高；熱電階段，利用某種效應(yīng)將熱轉(zhuǎn)換為電信號。當紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面時，薄片溫度升高使極化強度降低，表面電荷減少，釋放部分電荷，所以稱熱釋電。2）溫度一定時因極化產(chǎn)生的電荷被附集在外表面的自由電荷慢慢中和掉不顯電性，要讓熱釋電材料顯現(xiàn)出電特性，必需用光調(diào)制器使溫度變化，并且調(diào)制器的入射光頻率必須大于電荷中和時間的頻率。第12章 熱電式傳感器12.1 什么是熱電效應(yīng)？熱電偶測溫回路的熱電動勢由哪兩部分組成？由同一種導體組成的閉合回路能產(chǎn)生熱電勢嗎？1